標籤:教育歷史計算

——從1+2+3+…+n談起 在建築工地上堆積了許多圓木條,從側面看去它們堆積成一個三角形的樣子。最頂層只有一根,第二層只有二根,第三層只有三根,……。 你想要知道這堆木料究意有多少條圓木?於是你開始計算:一、二、三、……。 可是這樣計算並不太快,而且容易錯誤。為了能較準確和迅速得到堆積木條的總數,我們介紹一個古代中國和希臘勞動人民所知道的一個方法。但在還沒講這方法之前,請聽一個著名的德國天文、物理和數學家的故事。

1發現

八歲孩子發現的數學定理
18世紀的德國出了一個大科學家高斯( Carl Friedrich Gauss1777-1855)。他生在一個貧窮的家裡,父親什麼工作都做過:園丁、勞工、商人助手、雜貨店的算帳員等等。母親是一個石匠的女兒,雖然只讀一點點的書,但人非常的聰明。高斯在還不會講話時就自己學計算,在三歲時有一天晚上他看著父親在算工錢時,還糾正父親計算的錯誤。
長大后他成為當代最傑出的天文學家、數學家。他在物理的電磁學方面有一些貢獻,電磁學的一個單位就是用他的名字命名。數學家們則稱呼他為「數學王子」。
將物品以三角形樣式排列,我們會得到一串數字1,3,6,10,...,我們將這些數字稱為"
"。
打過保齡球嗎? 保齡球球瓶排列方式就是一個三角數喔!
PS: 三角數即 『 1, 3, 6, 10, 15, 21, 28, 36, 45, 55, 66, 78, ......』
三角數
1 = 1
1 + 2 = 3
1 + 2 + 3 = 6
1 + 2 + 3 + 4 = 10
1 + 2 + 3 + 4 + 5 = 15
1 + 2 + 3 + 4 + 5 + ... ...
他八歲時進入鄉村小學讀書。教算術的老師是一個從城裡來的人,覺得在一個窮鄉僻壤教幾個小猢猻讀書,真是大材小用。而他又有些偏見:窮人的孩子天生都是笨蛋,教這些蠢笨的孩子念書不必認真,如果有機會還應該處罰他們,使自己在這枯燥的生活里添一些樂趣。
這一天正是算術教師情緒低落的一天。同學們看到老師那抑悒的臉孔,心裡畏縮起來,知道老師又會在今天捉些學生處罰了。
「你們今天替我算從1加2加3一直到100的和。誰算不出就罰他不能回家吃午飯。」老師講了這句話后就一言不發的拿起一本小說坐在椅子上看去了。
課室里的小朋友們拿起石板開始計算:「1加2等於3,3加3等於6, 6加4等於10,……」一些小朋友加到一個數字后就擦掉石板上的結果,再加下去,數字越來越大,很不好算。有些孩子的小臉孔漲紅了,有些手心額上滲出了汗來。
還不到半點鐘,小高斯拿起了他的石板走上前去。「老師,答案是不是這樣?」
老師頭也不抬,揮著那肥厚的手,說:「去!回去再算!錯了!」他想不可能這麼快學生就會有答案了。
可是高斯卻站著不動,把石板伸向老師面前,「老師!我想這個答案是對的。」
算術老師本來想要怒吼起來,可是一看石板上整整齊齊寫了這樣的數:5050,他驚奇起來。因為他自己曾經算過,得到的數值也是5050,這個10歲的小鬼怎麼這樣快就得到了這個數值呢?
高斯解釋他發現的一個方法,這個方法就是古時希臘人和中國人用來計算級數1+2+3+…+n的方法。高斯的發現使到老師覺得羞愧,覺得自己以前目空一切和輕視窮人家的孩子的觀點是不對的,他以後也認真教起書來,並且還常從城裡買些數學書自己進修並借給高斯看。在他的鼓勵下,高斯以後便在數學上作了一些重要的研究了。

2古代的演算法

古時的中國和希臘人怎樣算這和
2400年前的希臘數學家畢達哥拉斯稱這樣的數1,1+2,1 +2+3,1+2+3+4,等等為三角數(Triangular number)。他和門徒用1個圓球代表1,並且把三角數用下面的圖形表示:
我們用Sn來表示1+2+3+…+n的值要知道Sn的數目,我們可以設想有另外一個Sn(這裡用白圓球來表示),把它倒放,並和原來的Sn靠攏拼合起來;我們就得到一個菱形(圖二,這裡n是等於4的情形),總共有n行,每一行有n+1個圓球,所以全部有n(n+1)個圓球。這是兩個Sn,因此一個Sn應該是n(n+1)÷2。
無獨有偶,中國人也是用這方法找出Sn的值。宋朝數學家楊輝,他考慮由草束堆成的尖垛,頂層是一束,從上到下逐層增加一束,如果知道底層的束數,就可以算出全部草束的總數。他提出的一個問題是:「今有圭垛草一堆,頂上一束,底闊八束。問共幾束?答:36束。」他的計算方法和以上的說明是一樣的。
畢達哥拉斯和門徒們發現了三角數的一個性質:任意兩個連續三角數的和是一個平方數。用圖形表示是:
讀者可以用公式對以上的性質給出證明。
很容易聯想到的一個問題:是否1^2+2^2+3^2+…+n^2,以及1^3+2^3+3^3+…+n^3也能找到簡單公式來算它們的和?
據說那個在澡堂里發現了「浮力定律」而忘記自己仍舊是赤身露體奔跑在街道上高喊著「Eureka!Eureka!」(我已發現了!我已發現了!)的希臘科學家阿基米德(Archimedes,公元前287—公元前212)早已知道這兩個和的公式是:
1^2+2^2+3^2+…+n^2=n(n+1)(2n+1)÷6
1^3+2^3+3^3+…n^3=(1+2+…+n)^2
可是在阿基米德以後的希臘數學家想要知道1^4+2^4+3^4+…+n^4的和的公式,卻是無能為力。這個和的公式要在1000年後11世紀的阿拉伯數學家Alhean時才知道。
我們問一個問題:對於任何m≥3,是否有一般的公式表示1^m+2^m+…+n^m的和呢?
法國數學家費馬解決此問題
在1636年法國數學家費馬(P.Fermat)興高采烈的給朋友寫了一封信:「我已解決了在算術中可以算是最漂亮的一個問題。」他所講的問題就是上面問的問題。
費馬發現了這樣的公式:
他很自然的想到,是否
令他驚奇是,結果真是如此。
他還從這裡出發,得到了一個很漂亮的公式:
對於P≥2,以下的式子是恆等式
可以用這公式來解決千多年來數學家想要求出的公式。先看最簡單的情形,即p=2:
左邊的式子是可以展開寫成
已知∑r的公式,我們代進去再化就可以算出∑r2的公式了。
知道了∑r2的公式,再對p=3的情形考慮,由於
到∑rm的值。費馬倒是很巧妙的解決這個問題。

3中算圓周率

中算家在這方面的成果
中國數學家很早就認識了等差級數,在中國最早的數學書《周髀算經》里談到「七衡」(日月運行的圓周)的直徑以19833里100步×2遞增,這就是等差級數。
約在公元1世紀成書的中國重要數學著作《九章算術》在《衰分》和《均輸》二章里的問題和等差級數有關。
在5世紀末南北朝的張丘建在他著的《張丘建算經》就有三個問題是等差級數的問題:
[題一]今有女子善織布,逐日所織的布以仝數遞增,已知第一日織五尺,經一月共織39丈,問逐日增多少?
[題二]今有女子不善織布,逐日所織的布以仝數遞減,已知第一日織五尺,末一日織一尺,計織30日。問共織布多少。
答:9丈。
[題三]今有某君以錢贈給許多人,先第一人給三錢,第二人給四錢,第三人給五錢,繼續依次遞增,錢給其他許多人。給完錢后把諸人所得的錢全部收回,再平均分派,結果每人得100錢,問人數多少?
答:195人。
唐朝和宋朝的數學家研究級數,並不是單純追求趣味性,而是實際的需要。當時的天文學家都假定日、月、星辰在天空中的運動是等加速或等減速運動,每日經行的路程是等差級數。
比如唐朝的天文學家僧一行(683—727),是世界上最早發現恆星在天上的位置會變動的天文學家。在他所著的《大衍曆》里就是利用等差級數的求和公式來計算行星的行程。
宋朝時對等差級數和高階等差級數的研究有最卓越的貢獻的該是沈括(1031—1095),他看到酒店、陶器店等把瓮、缸、瓦盆三類的東西推成長方台,底層排成一個長方形,以上的每層長闊各減少一個,因此他想要知道是否有簡單的式子可以計算。
他看古算術書:《九章算術》的《商功》章原有長方台體積(古書稱為「芻童」)的公式。用這公式來求實際的問題,常常是比原數少。因此他創造了新法《隙積法》以補「古書所不到者」。(「用芻童法求之,常失於數少,予思而得之。」)
假設長方台上底是a×b,下底是a'×b'共有n層,因為從上到下,每一層的縱橫各增加一個,所以a'-a=b'-b=n-1,沈括的求和公式是:
ab+(a+1)(b+1)+(a+2)(b+2)+…+a'b'=
讀者如果令a=b=1,a'=b'=n,代入以上的公式就可以得到
12+22+…+n2=n(n+1)(2n+1)÷6
沈括留給後世的《夢溪筆談》是一部內容豐富的科學著作,裡面談到數學、天文、物理、化學、生物、地質、地理、氣象、醫藥和工程技術等,英國自然科學史家李約瑟教授對這書評價極高。而日本數學家三上義夫(Mikami Yoshio 1875—1950)對沈括非常推崇,他認為對古代數學來講:「日本的數學家沒有一個比得上沈括,像中根元圭精於醫學、音樂和曆書,但沒有沈括的經世之才;本多利明精航海術,有經世才,但不能像沈括的多才多藝。如果在別國中能找到和沈括相比的數學家,那麼德國的萊布尼茲和法國的卡羅,在某點上或可和沈括比較,但若一面遠勝沈括,同時又多才多藝,那就談不到了。僅有希臘的阿契泰斯,他的學識經驗最能和沈括相比。總之沈括這樣的人物,在全世界數學史上找不到,惟有中國出了這一個人。我把沈括當做中國數學家的模範人物或理想人物,是很恰當的。」(見《中國算學之特色》)
在沈括后,宋朝的數學家在級數研究有較好成果的,該算13世紀時的楊輝。他提出了三角垛公式:
1+(1+2)+(1+2+3)+…+(1+2+3+…+n)=n(n+1)(n+2)÷6
元朝朱世傑是一個到處傳授數學的教書先生,他在1299年寫了一部《算學啟蒙》以及1303年寫的《四元玉鑒》就研究等差和高階等差級數,特別是在後面那部著作,他擴充了楊輝的三角垛和公式,建立起屬於
的公式,以及更複雜的公式。這些也是比費馬早三百多年的時間。
朱世傑的書在17世紀流傳到日本去,對日本數學家的級數理論的研究影響很大。反而在中國,自從朱世傑以後的400年來,級數理論卻停頓著沒有再發展。要到18世紀時的董佑誠和李善蘭等才有一些論見。
級數理論和微積分學的產生有密切的關係,好像公式
家很早就有),可以很容易算出球體的體積公式,中國數學家很早就用幾何方法來推算球體的體積。在宋元的時候中國基本上具備了產生微積分的準備條件,可惜卻沒有一個人能像以後的西歐的萊布尼茲及牛頓那樣承先啟後的工作。更糟的是在明清時中國數學卻衰退起來。
看看過去,不必怪我們明清的老祖宗不爭氣,他們是有著社會條件的限制。「憶古傷懷易斷腸」,還是「思今圖強應加鞭」來的好。

4動腦筋問題

動腦筋問題
讀者如有興趣,可以考慮底下幾個問題:
1.證明三角數1+2+…+n的最後一位數不可能出現2,4,7,9。例如S1=1,S2=3,S3= 6,S4=10,S5= 15,S6=21,S7=28。這是波蘭中學數學比賽出過的一個問題。
2.證明2,3,7,8不會在12+22+32+…+n2的最後一位數出現。
3.是否以上的情形會出現在級數和13+23+…+n3的情況。
4.有一些三角數是平方數,如S8=36,S49=1225,你能證明有無窮多的三角數是平方數嗎?
5.是否能找到一個公式來表示和1-2+3-4+…+ (-1)n+1n

5關於

設√(8n+1)=x,如果x是自然數,那麼n就是第(x÷2-0.5)個三角數。(0不算三角數)
舉例。如n=666,那麼√(8×666+1)=73 73÷2-0.5=36 所以666是第36個三角數。
上一篇[天體的音樂]    下一篇 [大希臘]

相關評論

同義詞:暫無同義詞